RU2703272C1 - Thermionic transducer with passive cooling for on-board power source of high-speed aircraft with straight-flow air-jet engine - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to the field of thermionic conversion of thermal energy into electrical energy, specifically to thermionic transducers (TIT), which can be used in onboard electric power sources for high-speed aircrafts (HSA) with straight-flow air-jet engines (ramjet). In a thermionic converter, which includes a cathode made in the form of a metal cup, the bottom of which faces the heat source, and installed inside cathode sleeve coaxially to each other metal-ceramic dummy unit and anode forming interelectrode gap with cathode cup bottom, cathode bar is located with gap perpendicular to outer wall of rectangular combustion chamber of straight-flow air-jet engine. At the same time the bottom of the cathode cartridge on the outside is equipped with a coating with a high degree of blackness, the converter contains at least one spacer of the interelectrode gap and the bellows unit, and anode is equipped with heat conductor connected through layer of electrically insulating material with cooler-radiator, made in form of truncated conical pyramid, larger base of which facing the surrounding space, is limited by six or four side faces.

EFFECT: possibility of installing TIT on ramjet without complicating design of its combustion chamber, inclusion of onboard electric power source in structure of structure HSA, as well as simple experimental development of this source, high reliability and energy efficiency.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области термоэмиссионного преобразования тепловой энергии в электрическую, а именно к термоэмиссионным преобразователям (ТЭП), которые могут использоваться в составе бортовых источников электрической энергии для высокоскоростных летательных аппаратов (ВЛА) с прямоточными воздушно-реактивными двигателями (ПВРД).The invention relates to the field of thermionic conversion of thermal energy into electrical energy, and in particular to thermionic converters (TEC), which can be used as part of on-board sources of electric energy for high-speed aircraft (VLA) with ramjet engines.

В качестве бортовых источников электроэнергии для летательных аппаратов (ЛА) [Зонтов В.М., Куприн Б.В. Системы электроснабжения летательных аппаратов. М., ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1988., 395 с] применяются химические источники тока (ХИТ) [Федотов Д.Б., Ялюшев Н.И., Мафтей А.Н. Опыт применения литий-тионилхлоридных источников тока в ракетно-космической технике. «Электрохимическая энергетика», 2013, Т. 13, №2, с. 90-95.], а также электромеханические генераторы (ЭМГ) с приводом от газотурбинного двигателя (ГТД) ЛА [Бертинов А.И. Авиационные электрические генераторы. - М.: Оборонгиз, 1959, 594 с] или от его вспомогательной силовой установки (ВСУ) [Павловский Н.И. Вспомогательные силовые установки самолетов. М.: «Транспорт», 1977, 240 с].As onboard power sources for aircraft (LA) [Zontov V.M., Kuprin B.V. Power supply systems for aircraft. M., VVIA them. prof. NOT. Zhukovsky, 1988., 395 s] chemical current sources (CIT) are used [Fedotov DB, Yalyushev NI, Maftey AN The experience of using lithium-thionyl chloride current sources in space rocket technology. “Electrochemical energy”, 2013, T. 13, No. 2, p. 90-95.], As well as electromechanical generators (EMG) driven by a gas turbine engine (GTE) LA [Bertinov A.I. Aircraft electric generators. - M .: Oborongiz, 1959, 594 s] or from its auxiliary power unit (APU) [Pavlovsky N.I. Auxiliary power plants of aircraft. M .: "Transport", 1977, 240 s].

Недостатками такого подхода применительно к ВЛА с ПВРД являются:The disadvantages of this approach in relation to VLA with ramjet are:

- использование ВСУ возможно только на относительно крупных ЛА из-за снижения эффективности малогабаритных ГТД в связи с масштабными факторами (рост числа оборотов в минуту и влияния перетечек газа в радиальных зазорах, проблемы подшипников и т.д.);- the use of the APU is possible only on relatively large aircraft due to a decrease in the efficiency of small-size gas turbine engines due to large-scale factors (an increase in the number of revolutions per minute and the influence of gas leaks in radial clearances, bearing problems, etc.);

- в ПВРД, в отличие от ГТД, отсутствует возможность отбора механической мощности на привод ЭМГ;- in ramjet engine, unlike gas turbine engine, there is no possibility of selection of mechanical power for EMG drive;

- размещение достаточно мощного ХИТ на борту ВЛА, конструкция которого в полете подвергается значительному аэродинамическому нагреву, осложняется необходимостью обеспечить охлаждение этого ХИТ до допустимых рабочих температур (для наиболее совершенных в настоящее время литий-тионил-хлоридных ХИТ не более 130°С).- the placement of a sufficiently powerful ChIT on board the VLA, the design of which is subjected to significant aerodynamic heating in flight, is complicated by the need to provide cooling of this ChIT to acceptable operating temperatures (for the most advanced lithium-thionyl chloride ChITs no more than 130 ° C).

В то же время, наличие на поверхностях ВЛА теплозащиты из материалов, выдерживающих температуру до нескольких сот градусов (в зонах, не подвергающихся непосредственному воздействию гиперзвукового потока), позволяет использовать такие поверхности в качестве холодильника-излучателя термодинамического цикла ТЭП тепловой энергии, выделяющейся в камере сгорания ПВРД, в электрическую, с пассивным охлаждением анода ТЭП тепловым излучением с наружной поверхности ВЛА.At the same time, the presence on the VLA surfaces of thermal protection from materials that can withstand temperatures of up to several hundred degrees (in areas not directly affected by hypersonic flow) allows these surfaces to be used as a cooler-radiator of the thermodynamic cycle of the TEC of thermal energy released in the combustion chamber Ramjet, in electric, with passive cooling of the TEC anode by thermal radiation from the outer surface of the VLA.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по аналогичному использованию термоэмиссионного преобразования энергии является ТЭП с плоскими электродами для термоэмиссионной надстройки тепловой электростанции (ТЭС) [Авторское свидетельство СССР №771764, H01J 45/00, опубл. 15.10.1980]. Катод этого ТЭП выполнен в виде стакана из жаростойкого сплава, дно которого обогревается снаружи излучением факела пламени в котлоагрегате ТЭС и имеет с внутренней стороны эмиссионное покрытие. Внутри стакана коаксиально ему установлен металлокерамический гермоузел (МКУ), внутри которого, в свою очередь, размещается массивный анод, одновременно выполняющий функцию теплоотвода и образующий межэлектродный зазор (МЭЗ) с эмиссионным покрытием катодного стакана. Анод находится в тепловом контакте с трубами котлоагрегата, на которых установлен ТЭП и по которым циркулирует паро-водяная смесь, охлаждающая анод.Closest to the claimed invention for the similar use of thermionic energy conversion is TEC with flat electrodes for thermionic superstructure of a thermal power plant (TPP) [USSR Author's Certificate No. 771764, H01J 45/00, publ. 10/15/1980]. The cathode of this TEC is made in the form of a glass made of a heat-resistant alloy, the bottom of which is heated externally by the radiation of a flame in the boiler of a thermal power plant and has an emission coating on the inside. Inside the cup, a metal-ceramic hermetic unit (MCU) is installed coaxially to it, inside of which, in turn, a massive anode is placed, which simultaneously acts as a heat sink and forms an interelectrode gap (MEZ) with the emission coating of the cathode cup. The anode is in thermal contact with the pipes of the boiler, on which the TEC is installed and through which the steam-water mixture circulates, cooling the anode.

Недостатками такого устройства применительно к бортовым источникам электроэнергии для ВЛА с ПВРД являются:The disadvantages of this device in relation to the on-board sources of electricity for VLA with ramjet are:

- размещение катодов ТЭП внутри топки котлоагрегата ТЭС, обусловленное выполнением ими функции тепловой изоляции, способствующей организации жидкого шлакоудаления, а также относительно низкой скоростью газового потока в этой топке, нецелесообразно для камеры сгорания ПВРД, так как усложняет установку ТЭП бортового источника энергии и конструкцию этой камеры;- placement of the TEC cathodes inside the furnace of the boiler of the TPP, due to their performing the function of thermal insulation, contributing to the organization of liquid slag removal, as well as the relatively low gas flow rate in this furnace, is inappropriate for the ramjet combustion chamber, since it complicates the installation of the TEC of the onboard energy source and the design of this chamber ;

- охлаждение анодов ТЭП с использованием теплоносителя (в прототипе это паро-водяная смесь) усложняет конструкцию, экспериментальную отработку и эксплуатацию бортового источника электроэнергии, а также снижает его надежность и устойчивость к повреждениям отдельных ТЭП;- cooling of the TEC anodes using a coolant (in the prototype it is a steam-water mixture) complicates the design, experimental development and operation of an onboard power source, and also reduces its reliability and resistance to damage of individual TEC;

- отсутствие дистанционаторов межэлектродного зазора (МЭЗ) и сильфонного узла, обычно используемых для компенсации линейных тепловых расширений материалов, усложняют технологию сборки ТЭП и снижают его надежность.- the absence of spacers of the interelectrode gap (MEZ) and the bellows assembly, usually used to compensate for linear thermal expansion of materials, complicate the assembly of the TEC and reduce its reliability.

Задачей изобретения является обеспечение установки ТЭП на ПВРД без усложнения конструкции его камеры сгорания, включение бортового источника электроэнергии в состав конструкции ВЛА, а также упрощение экспериментальной отработки этого источника, повышение его надежности и энергетической эффективности.The objective of the invention is the provision of installing TEC on ramjet without complicating the design of its combustion chamber, the inclusion of an onboard power source in the structure of the VLA, as well as simplifying the experimental development of this source, increasing its reliability and energy efficiency.

Поставленная задача решается за счет того, что в термоэмиссионном преобразователе, включающем выполненный в виде металлического стакана катод, дно которого обращено к источнику тепла и установленные внутри катодного стакана коаксиально друг другу металлокерамический гермоузел и анод, образующий межэлектродный зазор с дном катодного стакана, согласно изобретению катодный стакан расположен с зазором перпендикулярно наружной стенке прямоугольной камеры сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя, дно катодного стакана снаружи снабжено покрытием с высокой степенью черноты, преобразователь содержит, по меньшей мере, один дистанционатор межэлектродного зазора и сильфонный узел, а анод снабжен тепловодом, который через слой электороизоляционного материала соединен с холодильником - излучателем, выполненным в виде усеченной конической пирамиды, большее основание которой, обращенное к окружающему пространству, ограничено шестью или четырьмя боковыми гранями. При этом сильфонный узел, размещен снаружи катодного стакана коаксиально последнему, катодный стакан снабжен наружным кольцевым выступом, окружающим его дно, при этом ширина выступа достаточна для экранирования сильфонного узла от теплового излучения стенки камеры сгорания. Упомянутое покрытие с высокой степенью черноты, нанесенное снаружи на дно катодного стакана, выполнено на основе углеродных материалов.The problem is solved due to the fact that in a thermionic emission converter comprising a cathode made in the form of a metal cup, the bottom of which is facing the heat source and a metal-ceramic pressure cell installed inside the cathode cup and the anode forming an electrode gap with the bottom of the cathode cup, according to the invention, the cathode the glass is located with a gap perpendicular to the outer wall of the rectangular combustion chamber of a ramjet engine, the bottom of the cathode cup the snake is coated with a high degree of blackness, the transducer contains at least one spacer of the interelectrode gap and a bellows assembly, and the anode is equipped with a heat sink, which is connected through a layer of electrically insulating material to a refrigerator-emitter made in the form of a truncated conical pyramid, the larger base of which facing the surrounding area, limited to six or four side faces. In this case, the bellows assembly is placed coaxially to the latter outside the cathode cup, the cathode cup is provided with an outer annular protrusion surrounding its bottom, and the protrusion width is sufficient to shield the bellows assembly from the thermal radiation of the combustion chamber wall. Mentioned coating with a high degree of blackness, applied externally to the bottom of the cathode cup, is made on the basis of carbon materials.

Сущность заявленного технического решения поясняется чертежами, представленными на фиг. 1 и 2. На фиг. 1 схематически изображен ТЭП, размещенный вблизи стенки 1 камеры сгорания ПВРД, имеющей прямоугольное поперечное сечение. Катод ТЭП выполнен в виде стакана 2, дно которого снаружи нагрето излучением со стенки камеры до температуры ~1500°С. С внутренней стороны дно стакана имеет эмиссионное покрытие 3, а с наружной - покрытие с высокой степенью черноты 4. Внутри катодного стакана коаксиально ему расположены металлокерамический гермоузел 5 для взаимной электроизоляции электродов, а затем анод 6, снабженный тепловодом 7, который через слой электроизоляционного материала 8 соединен с холодильником - излучателем 9, охлаждающим анод до температуры ~650°С. Катодный стакан, в свою очередь, вставлен внутрь сильфонного узла 10, обеспечивающего компенсацию тепловых расширений материалов и герметизацию полости межэлектродного зазора, поддерживаемого с помощью дистанционаторов 11. При этом сильфонный узел защищен от теплового излучения камеры сгорания кольцевым выступом стенки катодного стакана у его дна. Катодный электрический вывод 12 и анодный электрический вывод 13 электрические выводы служат для взаимной коммутации отдельных ТЭП в составе бортового источника электроэнергии. На фиг. 2 показан порядок размещения соседних ТЭП 14, которые с помощью винтов 15 в гексагональном или шахматном порядке установлены на перфорированной пластине 16, защищенной от теплового излучения камеры сгорания слоем теплоизоляции 17 из углеродного войлока. При этом их холодильники - излучатели совместно образуют фрагмент наружной поверхности ВЛА.The essence of the claimed technical solution is illustrated by the drawings shown in FIG. 1 and 2. In FIG. 1 schematically depicts a TEC located near the wall 1 of the ramjet combustion chamber having a rectangular cross section. The TEC cathode is made in the form of a cup 2, the bottom of which is heated externally by radiation from the chamber wall to a temperature of ~ 1500 ° C. On the inside, the bottom of the cup has an emission coating 3, and on the outside, a coating with a high degree of black 4. Inside the cathode cup, there is a metal-ceramic pressure cell 5 coaxially for mutual electrical insulation of the electrodes, and then the anode 6, equipped with a heat pipe 7, which through a layer of electrical insulation material 8 connected to a refrigerator - emitter 9, cooling the anode to a temperature of ~ 650 ° C. The cathode cup, in turn, is inserted inside the bellows assembly 10, which compensates for the thermal expansion of the materials and the sealing of the interelectrode gap cavity supported by the spacers 11. The bellows assembly is protected from the thermal radiation of the combustion chamber by an annular protrusion of the wall of the cathode cup at its bottom. The cathode electrical terminal 12 and the anode electrical terminal 13 electrical terminals serve for mutual switching of individual TECs as part of an onboard power source. In FIG. Figure 2 shows the arrangement of neighboring TECs 14, which are mounted with screws 15 in a hexagonal or checkerboard pattern on a perforated plate 16, which is protected from the thermal radiation of the combustion chamber by a layer of thermal insulation 17 made of carbon felt. Moreover, their refrigerators - emitters together form a fragment of the outer surface of the VLA.

Решение поставленной задачи обеспечивается выбранным расположением ТЭП относительно камеры сгорания ПВРД, наличием соединенного тепловодом через слой электроизоляционного материала с анодом холодильника-излучателя и формой этого излучателя, покрытия с высокой степенью черноты на наружной поверхности катодного стакана, а также, по меньшей мере, одного дистанционатора межэлектродного зазора и сильфонного узла, размещением этого узла относительно катодного стакана и наличием кольцевого выступа, окружающего дно стакана.The solution to this problem is provided by the selected location of the TEC relative to the ramjet combustion chamber, the presence of a heat sink through the layer of electrical insulation material with the anode of the refrigerator-emitter and the shape of this emitter, a coating with a high degree of blackness on the outer surface of the cathode cup, as well as at least one interelectrode spacer the gap and the bellows assembly, the location of this assembly relative to the cathode cup and the presence of an annular protrusion surrounding the bottom of the cup.

В частности, расположение катодного стакана ТЭП снаружи прямоугольной камеры сгорания ПВРД перпендикулярно ее стенке и с зазором между снабженным покрытием с высокой степенью черноты дном стакана и этой стенкой позволяет не изменяя существующую конструкцию ПВРД установить такой ТЭП, а его автономная конструкция с собственной пассивной системой охлаждения в виде излучателя, упрощает экспериментальную отработку и повышает надежность предлагаемого бортового источника электроэнергии, вследствие устойчивости этого источника к повреждениям (в т.ч. боевым) отдельных ТЭП. Выбранная форма холодильника-излучателя позволяет включить бортовой источник электроэнергии в состав конструкции ВЛА путем совмещения функций этого излучателя и тепловой защиты наружной поверхности летательного аппарата. Наличие сильфонного узла и дистанционаторов МЭЗ упрощает сборку ТЭП и способствует повышению его надежности. Размещение сильфонного узла снаружи катодного стакана, в зоне, защищенной от нагрева тепловым излучением стенки камеры сгорания, способствует уменьшению длины тепловода, благодаря чему снижается разность температур анода и холодильника-излучателя, а, следовательно, повышается эффективность преобразования энергии. Таким образом, указанная совокупность новых признаков позволяет решить комплексную задачу изобретения.In particular, the location of the TEC cathode cup outside the rectangular ramjet combustion chamber perpendicular to its wall and with the gap between the bottom of the cup and the wall provided with a coating with a high degree of blackness allows this TEP to be installed without changing the existing ramjet design, and its autonomous design with its own passive cooling system in in the form of a radiator, simplifies experimental testing and increases the reliability of the proposed onboard power source, due to the stability of this source to damage niyamas (including combat) selected a TIC. The selected form of the refrigerator-emitter allows you to include an onboard power source in the design of the VLA by combining the functions of this emitter and thermal protection of the outer surface of the aircraft. The presence of the bellows assembly and the MEZ remote controllers simplifies the assembly of the TEC and helps to increase its reliability. Placing the bellows assembly on the outside of the cathode cup, in the area protected from the heat of the combustion chamber wall by heat radiation, helps to reduce the length of the heat sink, thereby reducing the temperature difference between the anode and the refrigerator-emitter, and, therefore, the energy conversion efficiency is increased. Thus, the specified combination of new features allows to solve the complex problem of the invention.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.Information confirming the possibility of carrying out the invention.

Катодный стакан с габаритным (по кольцевому выступу вокруг его дна) диаметром ~73 мм выполняли из молибдена, защищенного снаружи от высокотемпературной коррозии покрытием на основе силицида молибдена. Дно стакана снаружи имело дополнительное жаростойкое покрытие толщиной до 3 мм с высокой степенью черноты на основе углеродных материалов, а изнутри - эмиссионное покрытие в виде слоя монокристаллического вольфрама толщиной ~100 мкм. Анод выполняли в виде биметаллической конструкции, состоящей из ниобиевого электрода и медного тепловода, защищенного от коррозионного воздействия внешней среды хромированием или никелированием. Дистанционаторы МЭЗ, диаметром ~2-3 мм в количестве 4 шт. были выполнены из керамики на основе оксидов скандия или алюминия. МКУ содержал изолятор из оксида алюминия, например, монокристаллического, и манжеты из никелевых сплавов. Наружный диаметр сильфонного узла составлял ~50 мм, вследствие чего этот узел экранируется от теплового излучения кольцевым выступом стенки катодного стакана шириной ~10 мм. Тепловод, которым снабжен анод, приклеен к холодильнику - излучателю диаметром ~150 мм из графита, защищенного от внешней среды поверхностным силицированием, высокотемпературным алюмосиликатным клеем типа НС [Сычев М.М. Неорганические клеи. Л., «Химия», 1986, 152 с.], образующим между тепловодом и холодильником слой электроизоляционного материала толщиной ~0,2 мм. Холодильник-излучатель с помощью трех винтов крепился к перфорированной пластине из нержавеющей стали, защищенной от теплового излучения электронагревателя, имитировавшего стенку камеры сгорания ПВРД прямоугольной формы, теплоизоляцией из углеродного войлока. В процессе стендовых испытаний ТЭП в номинальном режиме (выходная мощность ~75 Вт при температуре катода до 1500°С) температура холодильника-излучателя не превышала 600°С.A cathode cup with an overall diameter (along an annular protrusion around its bottom) of ~ 73 mm in diameter was made of molybdenum, which was protected externally from high-temperature corrosion by a coating based on molybdenum silicide. The bottom of the glass had an additional heat-resistant coating on the outside up to 3 mm thick with a high degree of blackness based on carbon materials, and on the inside - an emission coating in the form of a single-crystal tungsten layer ~ 100 μm thick. The anode was made in the form of a bimetallic structure consisting of a niobium electrode and a copper heat pipe protected from the corrosive effects of the environment by chromium or nickel plating. Remote sensing devices with a diameter of ~ 2-3 mm in an amount of 4 pcs. were made of ceramics based on scandium or aluminum oxides. The MCU contained an insulator made of alumina, for example, single-crystal, and cuffs made of nickel alloys. The outer diameter of the bellows assembly was ~ 50 mm; as a result, this assembly is shielded from thermal radiation by an annular protrusion of the wall of the cathode cup ~ 10 mm wide. The heat pipe, which the anode is equipped with, is glued to the refrigerator - emitter with a diameter of ~ 150 mm from graphite, protected from the external environment by surface silicification, by high-temperature aluminosilicate glue type NS [Sychev MM Inorganic adhesives. L., "Chemistry", 1986, 152 pp.], Forming between the heat sink and the refrigerator a layer of electrical insulation material with a thickness of ~ 0.2 mm. The radiator refrigerator was attached with three screws to a perforated stainless steel plate protected from thermal radiation from an electric heater that simulated a rectangular ramjet combustion chamber wall with carbon felt heat insulation. During bench tests of TEC in the nominal mode (output power ~ 75 W at the cathode temperature up to 1500 ° С), the temperature of the refrigerator-emitter did not exceed 600 ° С.

Claims (3)

1. Термоэмиссионный преобразователь, включающий выполненный в виде металлического стакана катод, дно которого обращено к источнику тепла, и установленные внутри катодного стакана коаксиально друг другу металлокерамический гермоузел и анод, образующий межэлектродный зазор с дном катодного стакана, отличающийся тем, что катодный стакан расположен с зазором перпендикулярно наружной стенке прямоугольной камеры сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя, дно катодного стакана снаружи снабжено покрытием с высокой степенью черноты, преобразователь содержит по меньшей мере один дистанционатор межэлектродного зазора и сильфонный узел, а анод снабжен тепловодом, соединенным через слой электроизоляционного материала с холодильником-излучателем, выполненным в виде усеченной конической пирамиды, большее основание которой, обращенное к окружающему пространству, ограничено шестью или четырьмя боковыми гранями.1. The thermionic converter, including a cathode made in the form of a metal cup, the bottom of which is facing the heat source, and a ceramic-metal pressure cell and anode installed inside the cathode cup, forming an interelectrode gap with the bottom of the cathode cup, characterized in that the cathode cup is located with a gap perpendicular to the outer wall of a rectangular combustion chamber of a ramjet engine, the bottom of the cathode cup is provided with a coating with a high degree of blackness From there, the transducer contains at least one interelectrode gap spacer and a bellows assembly, and the anode is equipped with a heat pipe connected through a layer of electrical insulation material to a refrigerator-emitter made in the form of a truncated conical pyramid, the larger base of which facing the surrounding space, is limited to six or four side faces. 2. Термоэмиссионный преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что сильфонный узел размещен снаружи катодного стакана коаксиально последнему, а катодный стакан снабжен наружным кольцевым выступом, окружающим его дно, при этом ширина выступа достаточна для экранирования сильфонного узла от теплового излучения стенки камеры сгорания.2. The thermionic converter according to claim 1, characterized in that the bellows assembly is placed outside the cathode cup coaxially to the latter, and the cathode cup is provided with an outer annular protrusion surrounding its bottom, while the width of the protrusion is sufficient to shield the bellows assembly from thermal radiation from the wall of the combustion chamber. 3. Термоэмиссионный преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что покрытие с высокой степенью черноты, нанесенное на дно катодного стакана, выполнено на основе углеродных материалов.3. The thermionic converter according to claim 1, characterized in that the coating with a high degree of blackness deposited on the bottom of the cathode cup is made on the basis of carbon materials.

Images